JP2020036102A - Optical modulation method, optical demodulation method, transmitter, and receiver - Google Patents

Optical modulation method, optical demodulation method, transmitter, and receiver Download PDF

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Abstract

To provide an optical modulation method, an optical demodulation method, a transmitter, and a receiver, in a new optical communication system.SOLUTION: In a new optical modulation method, a color of an optical signal is cyclically shifted by a plurality of predetermined colors # 1 to #n during a symbol period T. Then, a leading color of each symbol period Tis selected from the colors # 1 to #n on the basis of transmission data. The optical demodulation method includes the steps of: capturing an optical signal with a rolling shutter camera; identifying a pixel containing the optical signal; and obtaining received data on the basis of the color obtained in each frame in the pixel.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、カメラを用いた光通信に関する。   The present invention relates to optical communication using a camera.

近年、スマートフォンなど多くの情報端末にカメラが搭載されている。情報端末に搭載されるカメラを利用して、直感的に情報を取得する方式として、LED(発光ダイオード)−カメラ間通信が提案されている(特許文献1)。   In recent years, cameras are mounted on many information terminals such as smartphones. As a method for intuitively acquiring information using a camera mounted on an information terminal, communication between an LED (light emitting diode) and a camera has been proposed (Patent Document 1).

LED−カメラ間通信は、(i)カメラのフレームレート以下の速さで低速に点滅したLEDから1フレーム1シンボル以下で情報を取得する方式(非特許文献1,2)と、(ii)フレームレート以上の速さで高速に点滅したLEDからローリングシャッター現象のもとで情報を取得する方式(非特許文献3〜8)に大別される。   The LED-camera communication includes (i) a method of acquiring information from an LED blinking at a low speed at a speed equal to or less than the frame rate of the camera at one symbol per frame or less (Non-Patent Documents 1 and 2), and The method is broadly divided into a method of acquiring information under a rolling shutter phenomenon from LEDs blinking at a high speed at a rate higher than the rate (Non-patent Documents 3 to 8).

特開2018−121169号公報JP 2018-112169 A

カシオ計算機株式会社、"可視光通信システムPicalico",http://picalico.casio.com/ja/about/, 2018年5月検索Casio Computer Co., Ltd., "Visible Light Communication System Picalico", http://picalico.casio.com/ja/about/, May 2018 Searched 倉木健介、加藤圭造、田中竜太、"モノに情報を付与できるLED照明技術" FUJITSU, vol. 66, no.5, pp. 88-93, Mar. 2015Kensuke Kuraki, Keizo Kato, Ryuta Tanaka, "LED lighting technology that can add information to objects" FUJITSU, vol. 66, no.5, pp. 88-93, Mar. 2015 H. Park, I. Yeom, and Y. Kim, "Watch me if you can exploiting the nature of light for light-to-camera communications," Proceedings of the 2017 International Conference on Embedded Wireless Systems and Networks, pp.329-334, Feb. 2017.H. Park, I. Yeom, and Y. Kim, "Watch me if you can exploiting the nature of light for light-to-camera communications," Proceedings of the 2017 International Conference on Embedded Wireless Systems and Networks, pp.329- 334, Feb. 2017. Z. Yang, Z. Wang, J. Zhang, C. Huang, and Q. Zhang, "Wearables can afford: Light-weight indoor positioning with visible light," Proceedings of the 13th Annual International Conference on Mobile Systems, Applications, and Services, pp.317{330, May. 2015.Z. Yang, Z. Wang, J. Zhang, C. Huang, and Q. Zhang, "Wearables can afford: Light-weight indoor positioning with visible light," Proceedings of the 13th Annual International Conference on Mobile Systems, Applications, and Services, pp.317 {330, May. 2015. F.L. Julia, C.M. Daniel, and P.A. Josep, "A reliable asynchronous protocol for VLC communications based on the rolling shutter effect," Proceedings of IEEE Global Communications Conference (GLOBE-COM), pp.1-6, Dec. 2015.F.L. Julia, C.M.Daniel, and P.A. Josep, "A reliable asynchronous protocol for VLC communications based on the rolling shutter effect," Proceedings of IEEE Global Communications Conference (GLOBE-COM), pp.1-6, Dec. 2015. H. Du, J. Han, X. Jian, T. Jung, C. Bo, Y. Wang, and X.Y. Li, "Martian: Message broadcast via LED lights to heterogeneous smartphones," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.35, no.5, pp.1154-1162, May. 2017.H. Du, J. Han, X. Jian, T. Jung, C. Bo, Y. Wang, and XY Li, "Martian: Message broadcast via LED lights to heterogeneous smartphones," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. .35, no.5, pp.1154-1162, May.2017. N. Rajagopal, P. Lazik, and A. Rowe, "Visual light landmarks for mobile devices," Proceedings of the 13th international symposium on Information processing in sensor networks, pp.249-260, Apr. 2014.N. Rajagopal, P. Lazik, and A. Rowe, "Visual light landmarks for mobile devices," Proceedings of the 13th international symposium on Information processing in sensor networks, pp.249-260, Apr. 2014. Y. Yang, J. Hao, and J. Luo, "CeilingTalk: Lightweight indoor broadcast through LED-camera communication," IEEE Transactions on Mobile Computing, vol.16, no.12, pp.3308{3319, Dec. 2017.Y. Yang, J. Hao, and J. Luo, "CeilingTalk: Lightweight indoor broadcast through LED-camera communication," IEEE Transactions on Mobile Computing, vol.16, no.12, pp.3308 {3319, Dec. 2017.

前者の方式(i)では、LED光がカメラの画面に写る領域がわずか数ピクセルであってもLEDの色が認識できれば通信が可能であるが、LEDの低速な点滅が人間の眼に知覚されるフリッカーが問題となる。非特許文献1では、RGB−LEDの色を100ms周期で切り替え、色度座標の違いに情報量を与えるCSK(Color Shift Keying)によって数10bpsの通信を実現している。しかしながら、100ms周期の色切り替えではフリッカーが生じるため、非特許文献1を利用できる環境は限られる。   In the former method (i), even if the area where the LED light is projected on the camera screen is only a few pixels, communication is possible if the LED color can be recognized, but slow blinking of the LED is perceived by the human eye. Flicker is a problem. In Non-Patent Document 1, communication of several tens of bps is realized by switching colors of RGB-LEDs at a period of 100 ms, and using CSK (Color Shift Keying) for giving an information amount to a difference in chromaticity coordinates. However, flickering occurs in color switching at a cycle of 100 ms, and thus the environment in which Non-Patent Document 1 can be used is limited.

非特許文献2では、RGB−LEDの各素子から発する光の強弱をそれぞれ時系列で制御し、光の色をわずかに変化させるCSKにより、フリッカーフリーで最大10bpsの通信を実現している。しかしながら、非特許文献2では、LED光をモノごとに照射し、その反射波を利用して一つのモノから情報を受信することを想定しており、複数の送信機が生成した光を遠方から同時に受信することについて検討されていない。また、16bitの伝送に2秒以上かかり、通信速度の観点からアプリケーションが限定される。   In Non-Patent Literature 2, flicker-free communication at a maximum of 10 bps is realized by CSK that controls the intensity of light emitted from each element of the RGB-LED in time series and slightly changes the color of light. However, Non-Patent Document 2 assumes that LED light is irradiated for each object and information is received from one object by using a reflected wave, and light generated by a plurality of transmitters is transmitted from a distance. No consideration has been given to receiving at the same time. In addition, transmission of 16 bits takes 2 seconds or more, and applications are limited in terms of communication speed.

後者の方式(ii)は、LED-カメラ間の通信速度を高速化する方式として注目されているものの、短い通信距離が課題となる。ローリングシャッター現象によるLED光の縞が画面に写る領域の大きさが、通信速度および通信の信頼性に関して支配的な影響を持つためである。   The latter method (ii) has attracted attention as a method for increasing the communication speed between the LED and the camera, but has a problem of a short communication distance. This is because the size of the area where the stripes of the LED light appear on the screen due to the rolling shutter phenomenon has a dominant effect on the communication speed and communication reliability.

このようにフリッカーを抑制しながら、カメラの画面に数ピクセルのみ写るLED光からの復調を可能とする長距離型LED−カメラ間通信は存在しない。   As described above, there is no long-distance LED-camera communication that enables demodulation from LED light that is reflected only on a few pixels on a camera screen while suppressing flicker.

本発明は係る状況に応じてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、新たな光通信方式の提供にある。   The present invention has been made in response to such circumstances, and one of the exemplary purposes of one embodiment is to provide a new optical communication system.

本発明のある態様は、光変調方法に関する。光変調方法は、複数色を所定の順序で巡回的に遷移する光信号を生成し、各シンボル期間の先頭の色を、複数色の中から送信データにもとづいて選択する。   One embodiment of the present invention relates to a light modulation method. The light modulation method generates an optical signal that cyclically transits a plurality of colors in a predetermined order, and selects a leading color of each symbol period from the plurality of colors based on transmission data.

本発明の別の態様は、上記光変調方法に対応する光復調方式である。この復調方式は、ローリングシャッター方式のカメラで光信号を撮影するステップと、光信号が含まれる画素を特定するステップと、当該画素において、各フレームで得られた色にもとづいて、受信データを取得するステップと、を備える。   Another embodiment of the present invention is an optical demodulation method corresponding to the above optical modulation method. In this demodulation method, a step of capturing an optical signal with a rolling shutter camera, a step of specifying a pixel including the optical signal, and a step of acquiring received data based on a color obtained in each frame at the pixel. Performing the steps.

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。   It is to be noted that any combination of the above-described components and any conversion of the expression of the present invention between an apparatus, a method, a system, a recording medium, a computer program, and the like are also effective as embodiments of the present invention.

本発明によれば、新たな光通信方式を提供できる。   According to the present invention, a new optical communication system can be provided.

図1(a)、(b)は、本実施の形態に係る光通信システムを示す図である。1A and 1B are diagrams illustrating an optical communication system according to the present embodiment. 実施の形態に係る変調方法を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a modulation method according to the embodiment. 図3(a)、(b)は、4−DCSKの信号設計の一例を示す図である。FIGS. 3A and 3B are diagrams illustrating an example of a 4-DCSK signal design. 4−DCSKによるデータ送信の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of data transmission by 4-DCSK. ラインごとの露出タイミングを説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating exposure timing for each line. カメラによって光信号を撮影して得られる画像を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an image obtained by capturing an optical signal with a camera. フレーム周期Tfcとシンボル周期Tsymの関係を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a relationship between a frame period T fc and a symbol period T sym . 照射位置の変化に対応する復調処理を説明する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a demodulation process corresponding to a change in an irradiation position. 色境界を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a color boundary. 手ぶれによるシンボルエラーの発生および検出方法を説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a method of generating and detecting a symbol error due to camera shake. SERの測定結果を示す図である。It is a figure showing the measurement result of SER. ARブラウザの一例を示す図である。It is a figure showing an example of an AR browser.

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and the repeated description will be omitted as appropriate. In addition, the embodiments do not limit the invention, but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.

本実施の形態では、色を用いた光通信技術を説明する。本明細書において「色」が異なるとは、色相、彩度、明度の少なくともひとつが異なることをいう。   In this embodiment, an optical communication technology using color will be described. In the present specification, "different colors" means that at least one of hue, saturation, and lightness is different.

1. システム構成
図1(a)、(b)は、本実施の形態に係る光通信システムを模式的に示す図である。光通信システム100は、送信機200および受信機300を備える。この光通信では、予め定めた異なる複数(n≧2)の色が使用される。便宜的に複数色に#1〜#nの番号を付し、それらを区別する。
1. System Configuration FIGS. 1A and 1B are diagrams schematically showing an optical communication system according to the present embodiment. The optical communication system 100 includes a transmitter 200 and a receiver 300. In this optical communication, a plurality of different predetermined colors (n ≧ 2) are used. For convenience, a plurality of colors are numbered # 1 to #n to distinguish them.

図1(b)を参照する。送信機200は、光源210および変調器220を備える。光源210は、所定の複数色#1〜#nで切り替え可能な光信号S1を生成可能である。光源210の種類や構成は限定されないが、LED(発光ダイオード)やLD(レーザダイオード)、有機EL(Electro Luminescence)素子などを用いることができる。あるいは光源210として、白色光源と液晶デバイスの組み合わせを用いてもよい。詳しくは後述するが、変調器220は送信すべき情報(送信データS2)に応じて、光源210を制御する。   Referring to FIG. The transmitter 200 includes a light source 210 and a modulator 220. The light source 210 can generate an optical signal S1 that can be switched between a plurality of predetermined colors # 1 to #n. Although the type and configuration of the light source 210 are not limited, an LED (light emitting diode), an LD (laser diode), an organic EL (Electro Luminescence) element, or the like can be used. Alternatively, a combination of a white light source and a liquid crystal device may be used as the light source 210. As will be described in detail later, the modulator 220 controls the light source 210 according to information to be transmitted (transmission data S2).

受信機300は、カメラ310と、復調器320を備える。たとえば受信機300は、スマートフォンやタブレット端末など、動画撮影機能付きの情報端末である。カメラ310は、所定のフレーム周期Tfcで、送信機200が出力する光信号S1を撮影する。送信機200と受信機300との距離は、数m〜数十mの長距離であり、光信号S1は、カメラ310の数画素にわたりスポット的に照射される。 The receiver 300 includes a camera 310 and a demodulator 320. For example, the receiver 300 is an information terminal with a moving image shooting function, such as a smartphone or a tablet terminal. The camera 310 captures an optical signal S1 output from the transmitter 200 at a predetermined frame period Tfc . The distance between the transmitter 200 and the receiver 300 is a long distance of several meters to several tens of meters, and the optical signal S1 is radiated in a spot over several pixels of the camera 310.

復調器320は、カメラ310が生成する画像を処理し、光信号S1に含まれる情報(受信データS3)を復調する。復調器320は、情報端末に搭載されるプロセッサ(CPU)と、ソフトウェアプログラムの組み合わせにより実装することができる。   The demodulator 320 processes an image generated by the camera 310 and demodulates information (received data S3) included in the optical signal S1. Demodulator 320 can be implemented by a combination of a processor (CPU) mounted on the information terminal and a software program.

図1(a)には、1個の送信機200と1個の受信機300のペアが示されるが、実際には、1個の受信機300が複数の光源210からの光信号を受信可能であり、また、1個の光源210は、複数の受信機に対して光信号を送信可能である。   FIG. 1A shows a pair of one transmitter 200 and one receiver 300, but in reality one receiver 300 can receive optical signals from a plurality of light sources 210. In addition, one light source 210 can transmit an optical signal to a plurality of receivers.

以上が光通信システム100の概要である。続いて送信機200における変調方法について説明する。   The outline of the optical communication system 100 has been described above. Next, a modulation method in transmitter 200 will be described.

2. 変調方法(DCSK)
図2は、実施の形態に係る変調方法を説明する図である。本明細書においてこの変調方式を、DCSK(Differential Color Shift Keying)と称する。光信号S1の色は、1シンボル期間Tsymの間、複数色#1〜#nを所定の順序で巡回的に遷移する。図2において横軸は時間であり、光信号S1の色遷移を示す。Tcolorは色が遷移する周期(遷移周期)である。シンボル周期Tsymは、カメラ310のフレーム周期Tfcの整数倍であることが好ましく、本実施の形態ではTsym=Tfcである。Tは、n色の巡回周期を表しおり、T=Tcolor×nである。Tをキャリア周期という。図2に示すように、先頭の色はシンボル期間Tsymごとに可変であり、#1〜#nのn色から選択可能である。
2. Modulation method (DCSK)
FIG. 2 is a diagram illustrating a modulation method according to the embodiment. In this specification, this modulation method is referred to as DCSK (Differential Color Shift Keying). The color of the optical signal S1 cyclically transitions among a plurality of colors # 1 to #n in a predetermined order during one symbol period T sym . In FIG. 2, the horizontal axis represents time, and shows color transition of the optical signal S1. Tcolor is a cycle (transition cycle) at which colors transition. The symbol period T sym is preferably an integral multiple of the frame period T fc of the camera 310, and in the present embodiment, T sym = T fc . Tc represents a cyclic period of n colors, and Tc = Tcolor × n. Tc is called a carrier cycle. As shown in FIG. 2, the leading color is variable for each symbol period T sym and can be selected from n colors # 1 to #n.

DCSKでは、各シンボル期間Tsym_curの先頭の色#yは、1つ前のシンボル期間Tsym_preの先頭の色#xを基準として相対的に決定され、したがって、連続する2フレームの先頭の色番号の差(色偏移量Δ=y−x)が、情報を表す。n色を用いたDCSK(n−DCSKという)では、1シンボルでn値の情報を伝送できる。なお任意の色番号x,yについて、x=x±n,y=y±nが成り立つものとする。色の巡回および先頭の色の決定は、図1の変調器220によって行われる。 In DCSK, the leading color #y of each symbol period T sym_cur is relatively determined based on the leading color #x of the previous symbol period T sym_pre , and therefore, the leading color number of two consecutive frames (The color shift amount Δ = y−x) represents the information. In DCSK using n colors (referred to as n-DCSK), n-value information can be transmitted with one symbol. It is assumed that x = x ± n and y = y ± n hold for arbitrary color numbers x and y. The color cycling and the determination of the leading color are performed by the modulator 220 of FIG.

図3(a)、(b)は、4−DCSKの信号設計の一例を示す図である。4−DCSKでは、シンボルごとに、2ビット(4値)の情報を伝送可能であり、図3(a)に示すように、"00","01","10","11"を、色偏移量Δの0,1,2,3に割り当てることができる。   FIGS. 3A and 3B are diagrams illustrating an example of a 4-DCSK signal design. In 4-DCSK, 2-bit (quaternary) information can be transmitted for each symbol. As shown in FIG. 3A, "00", "01", "10", "11" are Color shift amount Δ can be assigned to 0, 1, 2, and 3.

図3(b)は、4−DCSKの信号空間ダイアグラムの一例である。ここでは便宜的に、4個の色#1〜#4を、原点からの距離が等しく、位相差がπ/2となるような4個の信号点にマッピングしている。したがって、色偏移量Δは、図3(b)の信号空間における位相差に対応付けることができる。   FIG. 3B is an example of a signal space diagram of 4-DCSK. Here, for convenience, the four colors # 1 to # 4 are mapped to four signal points having the same distance from the origin and a phase difference of π / 2. Therefore, the color shift amount Δ can be associated with the phase difference in the signal space of FIG.

信号点は、シンボル周期Tsymの先頭の色に対応付けられており、そのシンボル期間においては、信号点の色を始点として、遷移周期Tcolorごとに反時計回りに色遷移することを表す。デジタル通信とのアナロジーで考えると、一巡する色遷移#1〜#nは、キャリア周期Tで一巡する搬送波(cos波)に対応づけることができる。そして先頭色が#iであるi番目の信号点#i(1≦i≦n)は、cos(θ+2π(i−1)/n)に対応付けることができる。 The signal point is associated with the leading color of the symbol period T sym , and represents that the color transitions counterclockwise at the transition period T color starting from the color of the signal point in the symbol period. Considering an analogy with digital communication, one cycle of color transitions # 1 to #n can be associated with a carrier wave (cos wave) that makes one cycle in the carrier cycle Tc . The i-th signal point #i (1 ≦ i ≦ n) whose leading color is #i can be associated with cos (θ + 2π (i−1) / n).

図4は、4−DCSKによるデータ送信の一例を示す図である。図4には、連続する5個のシンボル期間Tsym_0〜Tsym_4が示され、送信すべきデータが、"01","01","10","00"であるとする。また初期のシンボル期間Tsym_0の先頭の色は#1である。 FIG. 4 is a diagram illustrating an example of data transmission by 4-DCSK. FIG. 4 shows five consecutive symbol periods T sym_0 to T sym_4 , and data to be transmitted is “01”, “01”, “10”, and “00”. The leading color of the initial symbol period T sym — 0 is # 1.

sym_0に着目する。送信データが"01"であるから、色偏移量Δは1であり、次のシンボル期間Tsym_1の先頭の色は、y=x+Δ=1+1=2となる。 Attention is paid to T sym — 0 . Since the transmission data is “01”, the color shift amount Δ is 1, and the first color of the next symbol period T sym_1 is y = x + Δ = 1 + 1 = 2.

続いてTsym_1に着目する。送信データが"01"であるから、色偏移量Δは1であり、次のシンボル期間Tsym_2の先頭の色は、y=x+Δ=2+1=3となる。 Next, attention is paid to T sym — 1 . Since the transmission data is “01”, the color shift amount Δ is 1, and the leading color of the next symbol period T sym_2 is y = x + Δ = 2 + 1 = 3.

続いてTsym_2に着目する。送信データが"10"であるから、色偏移量Δは2であり、次のシンボル期間Tsym_3の先頭の色は、y=x+Δ=3+2=1となる。 Next, attention is paid to T sym_2 . Since the transmission data is "10", the color shift amount Δ is 2, and the leading color of the next symbol period T sym_3 is y = x + Δ = 3 + 2 = 1.

続いてTsym_3に着目する。送信データが"00"であるから、色偏移量Δは0であり、次のシンボル期間Tsym_4の先頭の色は、y=x+Δ=1+0=1となる。 Next, attention is paid to T sym — 3 . Since the transmission data is “00”, the color shift amount Δ is 0, and the leading color of the next symbol period T sym_4 is y = x + Δ = 1 + 0 = 1.

以上がDCSKの説明である。n=2、フレームレートをF=1/Tfcとするとき、n−DCSKにおける通信速度は、m×F(bps)となる。一般的なスマートフォンのカメラでは、共通して30fpsのフレームレートに設定可能であるから、4−DCSKの場合で60bpsの通信速度が達成できる。なお、色数nは、通信速度とSER(Symbol Error Rate)のトレードオフを考慮して決定すればよい。 The above is the description of DCSK. When n = 2 m and the frame rate is F R = 1 / T fc , the communication speed in n-DCSK is m × F R (bps). In a general smartphone camera, a frame rate of 30 fps can be commonly set, so that a communication speed of 60 bps can be achieved in the case of 4-DCSK. The number of colors n may be determined in consideration of a trade-off between the communication speed and the SER (Symbol Error Rate).

続いてDCSKの利点を説明する。従来のCSKでは、1シンボル期間の間、光信号S1の色は同一である。したがって1シンボル時間が数十msを超える場合、フリッカーが発生する。これに対して、DCSKによれば、遷移周期Tcolorを数ms(たとえば5ms)程度と十分に短くとることにより、色の変化が人間の目に知覚されなくなり、フリッカーの発生を抑制できる。 Next, advantages of DCSK will be described. In the conventional CSK, the color of the optical signal S1 is the same during one symbol period. Therefore, when one symbol time exceeds several tens ms, flicker occurs. On the other hand, according to DCSK, by setting the transition period T color to be sufficiently short, for example, about several ms (for example, 5 ms), a change in color is not perceived by human eyes, and the occurrence of flicker can be suppressed.

3. 復調方法
続いて、受信機300におけるDCSK信号の復調を説明する。図1に戻る。カメラ310は、ローリングシャッター方式のカメラであり、1ライン、あるいは数ラインを1ブロックとして、一定間隔Tごとに、ブロックを単位として画素値を取り込む。本実施の形態では、1ブロックは1ラインを含むものとする。
3. Demodulation Method Subsequently, demodulation of a DCSK signal in the receiver 300 will be described. Return to FIG. The camera 310 is a camera of a rolling shutter system, and takes one line or several lines as one block, and captures a pixel value in units of a block at regular intervals Tr . In the present embodiment, one block includes one line.

図5は、ラインごとの露出タイミングを説明する図である。CMOSイメージセンサは、ラインごとに露出時間Tの間入射光を集め、直後にセンサが受光した光の量をTの時間をかけて読み出していく。Tは受信機300の機種によって長さが異なり、同じ機種では一定である。各ラインの読み出しタイミングは重複できないため、あるラインの露出開始からT後に次のラインの露出時間が開始する。ライン数hのカメラ310では、1ライン目の露出開始からhライン目の露出終了までのフレーム時間Tは式(1)で表される。
=(h−1)T+T …(1)
一方、カメラ310はフレーム周期Tfcを設定することができ、Tfc−Tの間が撮像不能なギャップ時間Tとして存在する。次のフレームに向けた準備を行う間、カメラは撮像不能となる。Tはカメラの自動露出補正機能によって、環境光の輝度に応じて変動する。通常の撮像設定では、TがTと比べ非常に長く、LEDの点滅による輝度の変化が均一化されてライン間の画素値の変化は極めて小さくなる。LED−カメラ間通信では、各ラインにおいてLEDの色を鮮明に観測するため、露出時間は可能な限りTよりも小さく設定される。
FIG. 5 is a diagram illustrating the exposure timing for each line. CMOS image sensor, the incident light during the exposure time T e collected for each line, the sensor will read the amount of light received over a period of T r immediately. The length of Tr differs depending on the model of the receiver 300, and is constant for the same model. Since the read timing of each line cannot overlap, the exposure time of the next line starts after Tr from the start of exposure of a certain line. In the camera 310 having the number h of lines, the frame time TF from the start of the exposure of the first line to the end of the exposure of the h-th line is expressed by Expression (1).
T F = (h−1) T r + T e (1)
On the other hand, the camera 310 can be set the frame period T fc, during T fc -T F is present as an imaging impossible gap time T G. While preparing for the next frame, the camera cannot capture images. T e is the automatic exposure correction function of the camera varies depending on the brightness of the ambient light. In normal imaging setting, T e is very long compared to T r, a change in the change in brightness by the LED flashing is uniform pixel values between lines becomes extremely small. In the LED-camera communication, the exposure time is set to be smaller than Tr as much as possible in order to clearly observe the color of the LED in each line.

図6は、カメラ310によって光信号S1を撮影して得られる画像を説明する図である。簡単のために、まずは送信機200からの光信号S1が、カメラ310の全画素に均一に照射されている場合を考える。上述のように、カメラ310のフレーム周期Tfcはシンボル周期Tsymと等しく、光信号S1の色は、遷移周期Tcolorで巡回的に変化する。一方、ローリングシャッター方式では、ライン(ブロック)ごとに露光タイミングが異なる。したがってカメラ310により、光信号S1に含まれる複数色#1〜#nが縞模様として撮影される。各色の帯の幅は、TcolorとTに応じて定まり、隣接する(Tcolor/T)本のラインに、同じ色が表れる。図6の例では2ラインごとに色が変化している。 FIG. 6 is a diagram illustrating an image obtained by photographing the optical signal S1 by the camera 310. For simplicity, first, consider a case where the optical signal S1 from the transmitter 200 is uniformly applied to all pixels of the camera 310. As described above, the frame period Tfc of the camera 310 is equal to the symbol period Tsym, and the color of the optical signal S1 changes cyclically at the transition period Tcolor . On the other hand, in the rolling shutter system, the exposure timing differs for each line (block). Therefore, a plurality of colors # 1 to #n included in the optical signal S1 are photographed by the camera 310 as a stripe pattern. The width of the band of each color is determined according to T color and Tr , and the same color appears on adjacent (T color / T r ) lines. In the example of FIG. 6, the color changes every two lines.

実際には、光信号S1は、カメラ310の一部の画素にのみスポット的に照射される。そこで復調器320は、光信号S1が写っている画素を検出する。そして、その画素の画素値を毎フレーム、取得する。そして得られた画素値から、光信号S1が複数色#1〜#nのいずれであるかを判定する。   Actually, the optical signal S1 is applied to only a part of the pixels of the camera 310 in a spot-like manner. Therefore, the demodulator 320 detects a pixel where the optical signal S1 is captured. Then, the pixel value of the pixel is obtained for each frame. Then, it is determined from the obtained pixel values whether the optical signal S1 is one of the multiple colors # 1 to #n.

そして復調器320は、同一画素について、現在のフレームで得られた色#pと、1個前のフレームで得られた色#qの差分(色偏移量)にもとづいて、受信データを復調する。以上がDCSKにおける復調処理である。   Then, the demodulator 320 demodulates the received data for the same pixel based on the difference (color shift amount) between the color #p obtained in the current frame and the color #q obtained in the previous frame. I do. The above is the demodulation processing in DCSK.

続いてDCSK通信におけるさらなる利点を説明する。図7は、フレーム周期Tfcとシンボル周期Tsymの関係を示す図である。ここでも引き続き4−DCSKを例とする。送信機200と受信機300は非同期であり、フレーム周期Tfcの先頭tとシンボル周期Tsymの先頭tは必ずしも一致するとは限らない。一般に、フレーム周期Tfcの先頭のタイミングtは、カメラ310の起動タイミングによって変化する。 Next, further advantages in DCSK communication will be described. FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between the frame period T fc and the symbol period T sym . Here again, 4-DCSK is taken as an example. The transmitter 200 and receiver 300 are asynchronous, start t 0 and the beginning t 1 of the symbol period T sym frame period T fc does not always coincide. Generally, the timing t 0 at the beginning of the frame period T fc changes according to the activation timing of the camera 310.

図7の(i)は、t=tの場合を示す。点Aに光信号S1が照射されている場合、先のシンボル周期Tsym_jでは、点Aに対応する画素において色#4が測定され、次のシンボル周期Tsym_j+1では色#3が測定される。したがって色偏移量Δは3となり、データ"11"を復調できる。 (I) of FIG. 7 illustrates a case where t 0 = t 1 . When the optical signal S1 is applied to the point A, the color # 4 is measured at the pixel corresponding to the point A in the previous symbol period T sym_j , and the color # 3 is measured in the next symbol period T sym_j + 1 . Therefore, the color shift amount Δ is 3, and data “11” can be demodulated.

図7の(ii)は、t<tの場合を示す。先のシンボル周期Tsym_jでは、点Aに対応する画素において色#1が測定され、次のシンボル周期Tsym_j+1では色#4が測定される。したがって色偏移量Δは3となり、この場合もデータ"11"を復調できる。 (Ii) of FIG. 7 shows a case where t 0 <t 1 . In the previous symbol period T sym_j , color # 1 is measured at the pixel corresponding to point A, and in the next symbol period T sym_j + 1 , color # 4 is measured. Accordingly, the color shift amount Δ is 3, and in this case also, the data “11” can be demodulated.

このように、DCSK通信によれば、フレーム周期Tfcとシンボル周期Tsymのタイミングに依存せずに、信号を復調することができる。 Thus, according to the DCSK communication, a signal can be demodulated without depending on the timing of the frame period Tfc and the symbol period Tsym .

光信号S1の照射位置は、受信機300の位置や向きに応じて決まり、一定でない。図7において、点Bに光信号S1が照射される場合を考える。このとき、(i)のt=tの場合、先のシンボル周期Tsym_jでは、点Bに対応する画素において色#2が測定され、次のシンボル周期Tsym_j+1では色#1が測定される。したがって色偏移量Δは3となり、データ"11"を復調できる。 The irradiation position of the optical signal S1 is determined according to the position and the direction of the receiver 300 and is not constant. In FIG. 7, a case is considered in which the point B is irradiated with the optical signal S1. At this time, when t 0 = t 1 in (i), the color # 2 is measured at the pixel corresponding to the point B in the previous symbol period T sym_j , and the color # 1 is measured in the next symbol period T sym_j + 1. You. Therefore, the color shift amount Δ is 3, and data “11” can be demodulated.

(ii)のt<tの場合、先のシンボル周期Tsym_jでは、点Bに対応する画素において色#3が測定され、次のシンボル周期Tsym_j+1では色#2が測定される。したがって色偏移量Δは3となり、この場合もデータ"11"を復調できる。 In the case of (ii) t 0 <t 1 , the color # 3 is measured at the pixel corresponding to the point B in the previous symbol period T sym_j , and the color # 2 is measured in the next symbol period T sym_j + 1 . Accordingly, the color shift amount Δ is 3, and in this case also, the data “11” can be demodulated.

このように、DCSK通信によれば、光信号S1の照射位置に依存せずに、データを復調できるという利点もある。   As described above, according to the DCSK communication, there is also an advantage that data can be demodulated without depending on the irradiation position of the optical signal S1.

さらに、受信機300がユーザの手によって保持される場合、通信中、光信号S1が常に同じ位置に維持される保証はなく、手ぶれによって、フレームごとに光信号S1の照射位置が異なる状況が生じうる。   Furthermore, when the receiver 300 is held by a user's hand, there is no guarantee that the optical signal S1 is always maintained at the same position during communication, and a situation where the irradiation position of the optical signal S1 differs for each frame due to camera shake may occur. sell.

図8は、照射位置の変化に対応する復調処理を説明する図である。先行フレームでは、光信号S1が点Aに照射され、後続フレームでは、光信号S1が点Bに照射されたとする。点Aでは、先行するフレームにおいて色#3が検出される。点Bでは、後続フレームにおいて色#3が検出される。   FIG. 8 is a diagram illustrating demodulation processing corresponding to a change in the irradiation position. It is assumed that the optical signal S1 is applied to the point A in the preceding frame, and the optical signal S1 is applied to the point B in the subsequent frame. At point A, color # 3 is detected in the preceding frame. At point B, color # 3 is detected in the subsequent frame.

復調器320は、点Aと点Bのスキャン方向の距離にもとづいて、2点A,Bで同じ光信号を測定したときに、色番号がいくつシフトするか計算する。そしてシフト量を利用して、一方の点の色の実測値から、他方の点の色を推定する。図8の例では、シフト量は3である。   The demodulator 320 calculates how many color numbers shift when the same optical signal is measured at the two points A and B based on the distance between the points A and B in the scanning direction. Then, using the shift amount, the color of the other point is estimated from the actually measured value of the color of one point. In the example of FIG. 8, the shift amount is 3.

たとえば復調器320は、先行フレームにおける点Aの色番号#3に、シフト量3を加算することにより、先行フレームにおいて、点Bで測定されたであろう色番号#2を推定する。そして、先行フレームにおける点Bの色番号の推定値#2と、後続フレームにおける点Bの色番号の実測値#3の差分を計算し、色偏移量Δ=1を求めることができる。   For example, the demodulator 320 estimates the color number # 2 that would have been measured at the point B in the preceding frame by adding the shift amount 3 to the color number # 3 of the point A in the preceding frame. Then, a difference between the estimated value # 2 of the color number of the point B in the preceding frame and the actually measured value # 3 of the color number of the point B in the subsequent frame is calculated, and the color shift amount Δ = 1 can be obtained.

あるいは復調器320は、後続フレームにおける点Bの色番号#3から、シフト量3を減算することにより、後続フレームにおいて、点Aで測定されたであろう色番号#4を推定してもよい。そして、後続フレームにおける点Aの色番号の推定値#4と、先行フレームにおける点Aの色番号の実測値#3の差分を計算し、色偏移量Δ=1を求めてもよい。   Alternatively, the demodulator 320 may estimate the color number # 4 that would have been measured at the point A in the subsequent frame by subtracting the shift amount 3 from the color number # 3 of the point B in the subsequent frame. . Then, the difference between the estimated value # 4 of the color number of the point A in the subsequent frame and the actually measured value # 3 of the color number of the point A in the preceding frame may be calculated to obtain the color shift amount Δ = 1.

4. タイミング設計
続いて、受信機側で設定する1ライン露出時間Tと、送信機側で設定するシンボル内の遷移周期Tcolorの条件を説明する。画面に写る色の境界を明瞭にするためには、TをTより短く設定する必要がある。ローリングシャッター方式のもとでは、一定間隔Tごとに次のラインの露出を開始するため、T>Tである場合隣接するライン同士で露出時間が重なり、色の境界が不明瞭となる。一方、Tを過度に短くすると、CMOSイメージセンサが受光する光の量が少なくなるため、LED光の色が画面に写らなくなる。1ラインを露出する全ての時間をかけて1色が撮像された場合には少なくとも、受信機がその色を認識できる必要がある。
4. Following timing design, 1 and line exposure time T e to set the receiver side, the transition period T color conditions in the symbol to be set at the transmitter side will be described. For clarity of color boundaries caught on the screen, it is necessary to set the T e shorter than T r. Under the rolling shutter system, to initiate the exposure of the next line every predetermined interval T r, T e> exposure time lines adjacent to each other when a T r overlap, the color boundary is unclear . On the other hand, if Te is excessively short, the amount of light received by the CMOS image sensor decreases, so that the color of the LED light does not appear on the screen. When one color is imaged over the entire time of exposing one line, at least the receiver needs to be able to recognize the color.

この最小の露出時間をTe_minとすると、式(2)を満たす範囲でTを設定し固定することで、画面に写る色の境界が明瞭に現れるようにすることができる。
e_min≦T≦T …(2)
ただし、Te_minは送信機側の消費電力、環境光、通信距離などの要因で変動するため、Tは可能な限りTに近づけて設定するとよい。一部の機種ではTをプログラムで設定することができないが、自動露出補正機能によって露出時間が短くなったタイミングで露出時間を固定することはできる。
When this minimum exposure time T e_min, by setting the T e in a range satisfying the equation (2) can be immobilized and the boundary of the color caught on the screen to appear clearly.
T e_min ≦ T e ≦ T r ... (2)
However, T e_min is to vary factors such as power consumption, ambient light, the communication distance of the transmitter side, may T e is set as close as T r as possible. In some models it can not be set programmatically T e, that the time exposed by the automatic exposure correction function is to secure the exposure time at the timing of its shorter possible.

なお、必ずしも式(2)を満たす必要はなく、T≦Tとなった場合、画面の隣接ラインの露出時間に被りが生ずるため、隣接ラインの色の差が曖昧になるが、この場合でも復調は可能である。 Incidentally, it is not always necessary to satisfy the equation (2), when a T r ≦ T e, because the fog is generated in the exposure time of the adjacent lines of the screen, but the difference in color between adjacent lines is ambiguous, this case But demodulation is possible.

またフリッカーを抑制するためには、Tcolorはカメラのフレーム周期よりも短く設定する必要がある。一方、Tcolorを過度に短くすると、光信号S1が画面に写ったとしても、1ラインを露出している間に色が切り替わってしまうことから、その色を識別することができない。フリッカーを抑制可能な最大のTcolorの値をTflickerとすると、式(3)を満たす範囲でTcolorを設定することで、少なくとも1ラインには識別可能な色が現れる。
+T≦2T≦Tcolor≦Tflicker …(3)
式(3)を満たす範囲でTcolorを大きくするほど、SER(Symbol Error Rate)は減少する。ただし、Tflickerは利用する色の数および種類によって変動することに注意されたい。
In order to suppress the flicker, T color needs to be set shorter than the frame period of the camera. On the other hand, if Tcolor is excessively short, even if the optical signal S1 appears on the screen, the color is switched while one line is exposed, so that the color cannot be identified. When the value of the maximum Tcolor capable of suppressing flicker and T flicker, by setting the T color within a range satisfying the equation (3), the color discernible appears at least one line.
T e + T r ≦ 2T r ≦ T color ≦ T flicker ... (3)
The SER (Symbol Error Rate) decreases as T color is increased within a range satisfying Expression (3). However, it should be noted that T flicker varies depending on the number and type of colors used.

5. 色境界(Color Boundaries)について
通信中に手ぶれが生じ、光信号S1の画面内位置が変動した場合に、フレーム間における光信号S1の撮像時間間隔がフレーム周期からずれた時間を推定する必要がある。画面内でシンボルの色が切り替わる境界ラインを受信機が把握することで、正確なずれの推定が可能となる。たとえば、Tsym=Tfcに設定することから、色が切り替わる境界ラインを一度でも撮像することができれば、画面内の全境界ラインYを計算することができる。Yを計算することで、色切り替えの正確なタイミングを把握できるため、ずれた時間の正確な推定が可能となる。演算処理によって、画面内境界ラインを複数通り予測しながら、復調することも可能である。
5. Color Boundaries When camera shake occurs during communication and the position of the optical signal S1 in the screen fluctuates, it is necessary to estimate the time at which the imaging time interval of the optical signal S1 between frames deviates from the frame period. . By ascertaining the boundary line at which the color of the symbol is switched in the screen, it is possible to accurately estimate the deviation. For example, since T sym = T fc is set, if the boundary line at which the color is switched can be imaged even once, all the boundary lines Y in the screen can be calculated. By calculating Y, the exact timing of color switching can be grasped, so that accurate estimation of the shifted time is possible. It is also possible to demodulate while predicting a plurality of boundary lines in the screen by the arithmetic processing.

図9は、色境界を説明する図である。図9には、第(i−1)ラインと第iラインにおいて色の境界が撮像された場合が示される。第(i−1)ラインではなく第iラインをYの要素と定義する。境界ラインは整数値であるが、Tなどの時間パラメータは整数値とは限らないため、各境界においてそれぞれ2ラインの境界候補が存在する。これらの候補のうちライン番号が大きいものをYの要素と定義する。これらの定義に従うと、Yの要素は変数kとk(kは1以上の整数,Kは非負整数)を用いて、式(4)で表される。 FIG. 9 is a diagram illustrating a color boundary. FIG. 9 shows a case where a color boundary is imaged on the (i-1) th line and the i-th line. The ith line, not the (i-1) th line, is defined as a Y element. Although the boundary line is an integer value, the time parameter such as Tr is not always an integer value, and thus each boundary has two line boundary candidates. Of these candidates, the one with the larger line number is defined as the Y element. According to these definitions, the elements of Y are variables k 1 and k 2 (k 1 is an integer of 1 or more, K 2 is a non-negative integer) by using, the formula (4).

しかしながら、実際はシンボル長Tsymと受信機のフレーム周期Tfcには誤差T(T=Tsym−Tfc)が存在し、その誤差は機種ごとに異なる。そのため、フレームごとに色境界ラインが僅かに変動する。これを考慮にいれて、第iラインをYの要素として採用したフレームからjフレーム後における境界Yrealは式(5)で表される。 However, in practice there is an error T 0 (T 0 = T sym -T fc) in the frame period T fc of the symbol length T sym and receiver, the error is different for each model. Therefore, the color boundary line slightly changes for each frame. Taking this into consideration, the boundary Y real after the j-th frame from the frame in which the i-th line is adopted as the Y element is expressed by Expression (5).

Figure 2020036102
Figure 2020036102

通信中に手ぶれが生じ、光信号S1の画面内位置が変動した場合に、Yrealを用いることで、フレーム間における光信号S1の撮像時間間隔がフレーム周期からずれた時間を、T+Tの誤差以内で推定することができる。 Shake occurs during communication, when the screen position of the optical signal S1 varies, the use of the Y real, time imaging time interval of the optical signal S1 is shifted from the frame period between frames, T e + T r Can be estimated within the error of

6. シンボルエラー検出
図10は、手ぶれによるシンボルエラーの発生および検出方法を説明する図である。フレーム周期Tfcの先頭と、シンボル周期Tsymの先頭はタイミングがずれている。この場合において、受光位置が常にある座標に固定されているときには、正しいデータを復調できる。
6. Symbol Error Detection FIG. 10 is a diagram illustrating a method of detecting and detecting a symbol error due to camera shake. The timing of the beginning of the frame period T fc and the beginning of the symbol period T sym are shifted. In this case, when the light receiving position is always fixed at a certain coordinate, correct data can be demodulated.

手ぶれにより、先行するフレーム期間Tfc_iにおいては、座標Bに光信号S1が照射され、後続のフレーム期間Tfc_i+1においては、座標Aに光信号S1が照射されたとする。シンボルの境界ラインZが、後続のフレーム期間Tfc_i+1において、座標Aと座標Bの間に位置するとき、すなわち、境界ラインZを跨ぐ手ぶれが発生するとき、シンボルエラーが発生する。なぜなら、このケースでは、連続する2フレームで、先行するシンボルを測定することとなり、後続するシンボルの情報が得られず、同一座標について、連続する2シンボルの両方の色を取得することができず、連続シンボル間の差動色偏移Δを把握することができないためである。このシンボルエラーに対しては、リードソロモン符号などの誤り訂正符号による対策は有効である。しかしながら、受光位置がシンボル境界ラインZをまたがる手ぶれが頻発すると、シンボルエラーが大量に発生するため、正しく情報を復調できない。情報を円滑に取得するため、シンボル境界ラインを受信機が検知し、そのラインをアプリケーション側でユーザに通知する機能を実装することが望ましい。 It is assumed that the optical signal S1 is applied to the coordinate B in the preceding frame period Tfc_i due to camera shake, and the optical signal S1 is applied to the coordinate A in the subsequent frame period Tfc_i + 1 . When the boundary line Z of the symbol is located between the coordinates A and the coordinates B in the subsequent frame period Tfc_i + 1 , that is, when a camera shake across the boundary line Z occurs, a symbol error occurs. Because, in this case, the preceding symbol is measured in two consecutive frames, information on the succeeding symbol cannot be obtained, and both colors of the two consecutive symbols cannot be obtained for the same coordinates. This is because the differential color shift Δ between consecutive symbols cannot be grasped. For this symbol error, a measure using an error correction code such as a Reed-Solomon code is effective. However, if the light receiving position frequently shakes across the symbol boundary line Z, a large number of symbol errors will occur, so that information cannot be correctly demodulated. In order to smoothly acquire information, it is desirable to implement a function of detecting a symbol boundary line by a receiver and notifying the user of the line on the application side.

シンボルエラーの検出のために、シンボル期間ごとに、信号空間にマッピングする複数色のセットを切りかえることが有効である。たとえば、光源210がn色の色を発生可能である場合、それらを2組に分け、連続シンボル間で利用する色の組を変更することで、受信機がシンボルエラーの検知が可能となる。フリッカーを抑制するため、各組の合成色が同一となるように組み分けを行うとよい。   To detect a symbol error, it is effective to switch a set of a plurality of colors to be mapped to a signal space for each symbol period. For example, when the light source 210 can generate n colors, the receiver can detect a symbol error by dividing them into two sets and changing the set of colors used between consecutive symbols. In order to suppress flicker, it is preferable to perform grouping so that each group has the same composite color.

図10の例では、4色2つのグループに分け、2−DCSKを行う場合を示す。奇数番目のシンボルは、第1のセット#1e、#2eが使用され、偶数番目のシンボルでは、第2のセット#1o、#2oが使用される。先行するフレーム周期Tfc_iでは受光位置Bに光信号S1が照射され、手ぶれによって後続フレームでは受光位置Aにおいて光信号S1が照射された場合、連続する2フレームにおいて同じ組の色#2oが撮像される。そのため、受信機は両座標A,B間にシンボル境界ラインZが存在することを把握することができる。 In the example of FIG. 10, a case is shown in which two groups of four colors are divided and 2-DCSK is performed. The odd-numbered symbols use the first set # 1e, # 2e, and the even-numbered symbols use the second set # 1o, # 2o. In the preceding frame period Tfc_i , the light receiving position B is irradiated with the light signal S1 in the preceding frame period, and in the succeeding frame, the light signal S1 is irradiated in the following light receiving position A due to camera shake. You. Therefore, the receiver can recognize that the symbol boundary line Z exists between the coordinates A and B.

7. 実験
DCSK通信に関する検証実験について説明する。実験では、利用する色の数nと通信距離を変え、1000シンボル送信中のSERを測定した。
7.1 実験条件
初期的評価として、利用する色は、通信速度とSERのトレードオフを考慮して、CIEXYZ色空間上で合成色が白色となる組み合わせを2色、4色、8色の3パターン選択する。各パターンにおいて、色の変化が人間の眼に知覚されないように、Tcolorをそれぞれ6ms、3ms、2msに設定する。評価には、RGB−LEDとしてEP204K-35G1R1B1-CA を利用し、口径10mmの拡散キャップを装着することで光の拡散を行った。LEDの制御にはワンボードマイコンArduino UNOを用いた。受信機は、Asus社のスマートフォンZenfone 2 Laser ZE601KL (Android(登録商標)5.0.2) を使用し、解像度を1920x1080に、フレームレートを30fpsに設定した。実験は照度が約500luxの屋内で行ない、5人のユーザがカメラを手で持ちながら計測した。
7.2 実験結果
図11は、SERの測定結果を示す図である。8色を利用したDCSKでは、通信距離の増加に伴い色の識別が困難となり、SERが著しく増加することが確認できる。また、2色と4色を利用した場合、通信速度はそれぞれ30bps,60bpsであり、どちらも最大通信距離は3.2mを達成し、この時のSERはそれぞれ0.0925,0.104となった。通信距離が3.2mを超えた場合では、カメラがLEDの色を認識可能なピクセル数が1ピクセル以下となり、画面内で色が切り替わる境界ラインを計算できず通信不可となった。
7.3 まとめ
DCSKにより、口径10mmの小型LEDから、60 bps の通信を最大3。2 m の通信距離で実現できることが確認できる。DCSKはカメラの画面に数ピクセルのみ写るLED光から情報を取得することができるため、LEDの口径を増加させることで、通信距離を拡大することができる。
7. Experiment A verification experiment on DCSK communication will be described. In the experiment, the number of colors used and the communication distance were changed, and the SER during 1000 symbol transmission was measured.
7.1 Experimental Conditions As an initial evaluation, the colors to be used are two, four, and eight combinations in which the composite color is white in the CIEXYZ color space in consideration of the communication speed and the SER trade-off. Select a pattern. In each pattern, T color is set to 6 ms, 3 ms, and 2 ms, respectively, so that the color change is not perceived by the human eye. In the evaluation, light was diffused by using EP204K-35G1R1B1-CA as an RGB-LED and attaching a diffusion cap having a diameter of 10 mm. A one-board microcomputer Arduino UNO was used to control the LEDs. The receiver used an Asus smartphone Zenfone 2 Laser ZE601KL (Android (registered trademark) 5.0.2), and set the resolution to 1920 × 1080 and the frame rate to 30 fps. The experiment was performed indoors at an illuminance of about 500 lux, and measurements were taken by five users while holding the camera in their hands.
7.2 Experimental Results FIG. 11 is a diagram showing measurement results of SER. In DCSK using eight colors, it becomes difficult to identify colors with an increase in communication distance, and it can be confirmed that SER significantly increases. When two colors and four colors are used, the communication speed is 30 bps and 60 bps, respectively, and the maximum communication distance is 3.2 m in both cases, and the SER at this time is 0.0925, 0.104, respectively. Was. When the communication distance exceeded 3.2 m, the number of pixels by which the camera could recognize the color of the LED became 1 pixel or less, and a boundary line at which the color was switched in the screen could not be calculated, and communication was disabled.
7.3 Summary By DCSK, it can be confirmed that 60 bps communication can be realized with a maximum communication distance of 3.2 m from a small LED with a diameter of 10 mm. Since the DCSK can acquire information from the LED light that is reflected only a few pixels on the screen of the camera, the communication distance can be increased by increasing the aperture of the LED.

8. 用途
長距離型LED−カメラ間通信のユースケースとして、「屋内AR(Augmented Reality)ブラウザ」、「屋内位置推定の軽量実装」、「IoTデバイスの構築」などが挙げられる。
8. Applications Use cases of long-distance LED-camera communication include "indoor AR (Augmented Reality) browser", "lightweight implementation of indoor location estimation", and "construction of IoT device".

8.1 屋内ARブラウザ
図12は、ARブラウザの一例を示す図である。ARブラウザは、商業施設内のナビゲーションや、翻訳サービスなどに利用される。施設内には複数の送信機200が設置されており、各送信機200は、それが設置される箇所に関連する情報(ここではアイコンに関するデータ)を光信号S1を利用して受信機300に送信する。受信機300は、複数の送信機200からの光信号S1を受信し、そのディスプレイにカメラの画像とオーバーラップさせて、アイコン(あるいはその他の情報)を表示する。
8.1 Indoor AR Browser FIG. 12 is a diagram illustrating an example of an AR browser. AR browsers are used for navigation in commercial facilities, translation services, and the like. A plurality of transmitters 200 are installed in the facility, and each of the transmitters 200 transmits information (here, data related to icons) related to a location where the transmitter 200 is installed to the receiver 300 using the optical signal S1. Send. The receiver 300 receives the optical signals S1 from the plurality of transmitters 200, and displays an icon (or other information) on its display so as to overlap the image of the camera.

電波が届きにくい地下や屋内環境において、スマートフォンのカメラをかざした範囲からコンテンツを取得するARサービスを実現するためには、GPS情報を利用しない方式が求められる。決まった形の図形をカメラに認識させるマーカー方式があるが、マーカーの貼付と管理は運用面での課題が多く、美観を損ねる場合もある。一方、マーカーを用いず、実空間解析や特徴点抽出などの技術を用いる方式も提案されているが、計算量の観点から、スマートフォンの機種非依存に情報の伝達を実現することは難しい。   In an underground or indoor environment where radio waves are difficult to reach, a method that does not use GPS information is required to realize an AR service that acquires content from a range over which a smartphone camera is held. There is a marker method that allows the camera to recognize a fixed figure, but there are many operational problems in attaching and managing markers, and the appearance may be impaired. On the other hand, a method using techniques such as real space analysis and feature point extraction without using a marker has been proposed, but it is difficult to realize information transmission independent of a smartphone model from the viewpoint of the amount of calculation.

これらの方式に対し、長距離型LED-カメラ間通信を利用することで、カメラをかざした範囲からの直感的な情報取得を機種非依存に実現できる。   By using long-distance LED-camera communication for these methods, intuitive information acquisition from the range over which the camera is held can be realized independent of the model.

8.2 屋内位置情報サービス
屋内での位置情報サービスの需要は高く、屋内位置推定技術の研究開発が進められている。しかしながら、現在の屋内位置推定技術では高精度かつ低コストな運用ができない。無線周波数を利用する利用する方式は、マルチパス反射やシャドウイングおよび動的環境に対しロバストな設計ができないことが問題として指摘されている。この問題を解消するために可視光を利用した方式があるが、いずれも人的コストや金銭的コストが高く、システム構築の敷居が高い。独自に変調したLEDを用いるものでは、LEDを屋内の天井に密に設置する必要がある。建物に導入済みの蛍光灯を用いるものでは、新たに照明器具を設置する必要はないが、事前に蛍光灯が発する光の特徴量を計測する必要があり、これをスマートフォンの機種ごとに行うことは敷居が高い。
8.2 Indoor Location Information Service There is a high demand for indoor location information services, and research and development of indoor location estimation technology is ongoing. However, high-precision and low-cost operation cannot be performed with the current indoor position estimation technology. It has been pointed out that a method using radio frequencies cannot be designed robustly against multipath reflection, shadowing and a dynamic environment. In order to solve this problem, there is a method using visible light. However, all of these methods have high human and financial costs, and the threshold for system construction is high. In the case of using an independently modulated LED, it is necessary to densely install the LED on the ceiling indoors. In the case of using fluorescent lights already installed in the building, it is not necessary to install new lighting equipment, but it is necessary to measure the characteristic amount of the light emitted from the fluorescent lights in advance, and perform this for each smartphone model Is a high threshold.

これらの方式に対し、長距離型LED-カメラ間通信を利用することで、設置するLEDの数を大幅に減らし、低コストに屋内位置推定を実現できる。具体的には、数十m間隔でLEDを設置し、それぞれ固有のID(識別子)を発信させる。スマートフォンのカメラは、受信したIDと、光源までの距離や角度の情報を利用することで、現在の屋内位置を推定することが可能となる。   By using the long-distance LED-camera communication for these methods, the number of LEDs to be installed can be significantly reduced, and indoor position estimation can be realized at low cost. Specifically, LEDs are installed at intervals of several tens of meters and each transmits a unique ID (identifier). The camera of the smartphone can estimate the current indoor position by using the received ID and information on the distance and angle to the light source.

8.3 IoTデバイスの構築
IoTデバイスの構築には、温度や照度などのセンサデータを可視化する機能が求められる。本実施の形態で説明した長距離型の通信を利用すれば、情報を発信するIoTデバイスの特定や、ノードIDなどの小容量なデータ伝送を実現できる。
8.3 Construction of IoT Device The construction of an IoT device requires a function of visualizing sensor data such as temperature and illuminance. By using the long-distance communication described in the present embodiment, it is possible to specify an IoT device that transmits information and to transmit a small amount of data such as a node ID.

8.4 まとめ
DCSKの採用により、LEDの大きさと消費電力を調節することで、通信距離を数十m以上に拡大することが可能である。そのため、図12に示す屋内ARブラウザのような直感的な情報取得アプリケーションを、低コストかつ汎用的に実現できる。本通信方式では、LEDの色切り替えパターンを調節することのみで情報の伝達を実現できるため、通信システムの導入・運用を低コストに抑えることができる。また、送信機としてのLEDを照明用途としても利用可能である点で、利用環境の美観を損ねることなく運用することができる。
8.4 Conclusion By adopting DCSK, it is possible to extend the communication distance to several tens of meters or more by adjusting the size and power consumption of the LED. Therefore, an intuitive information acquisition application such as the indoor AR browser shown in FIG. 12 can be realized at low cost and versatile. In the present communication system, information can be transmitted only by adjusting the color switching pattern of the LEDs, so that introduction and operation of the communication system can be suppressed at low cost. In addition, since the LED as the transmitter can be used for lighting purposes, it can be operated without deteriorating the beauty of the use environment.

それに対して、Bluetooth(登録商標)やWi−Fiを用いる方式では、周囲数メートルに存在する複数のデバイスから通信対象を選択する必要があり、通信の直感性を実現することが難しい。NFCを用いる方式では、通信距離が短いため、アプリケーションが限定される。既存のAR 技術の中には、実空間解析などの技術を用いることで、GPS機能の利用が困難な屋内環境においても空間からコンテンツを取得することができる方式があるが、スマートフォンの機種非依存に情報の伝達を実現することは難しい。これらの方式に対し、長距離型LED−カメラ間通信方式は、カメラをかざした範囲から複数の通信対象デバイスをわかりやすく特定して情報を取得することができる。また、高い計算機能を有する最新のスマートフォンに限らず、機種非依存に情報の伝達を実現することができる。   On the other hand, in a system using Bluetooth (registered trademark) or Wi-Fi, it is necessary to select a communication target from a plurality of devices located around several meters around, and it is difficult to realize communication intuition. In the method using NFC, applications are limited because the communication distance is short. Among existing AR technologies, there is a method that can acquire contents from space even in indoor environments where it is difficult to use GPS functions by using technologies such as real space analysis, but it is independent of smartphone models It is difficult to realize information transmission. In contrast to these methods, the long-distance LED-camera communication method can easily identify a plurality of communication target devices from a range over which the camera is held and acquire information. In addition, the present invention is not limited to the latest smartphone having a high calculation function, and can realize information transmission independent of a model.

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。   The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to the combination of each component and each processing process, and that such modifications are also within the scope of the present invention. is there. Hereinafter, such modifications will be described.

<変形例>
変形例では、DCSKと同様に、1シンボル期間の間、光信号S1の色は、#1〜#nを繰り返し巡回する。そして、各シンボル期間の先頭の色が、前のシンボルに依存せずに、送信データのみにもとづいて決定される。たとえば、図3(b)の信号空間を利用する場合、送信データ"00","01","10","11"に対して、シンボルの先頭の色を、#1,#2,#3,#4のように割り当てることができる。たとえば、送信データ"01"に対応するシンボル期間において、光信号S1の色は、#2,#3,#4,#1…と巡回する。
<Modification>
In the modified example, as in DCSK, the color of the optical signal S1 repeats # 1 to #n for one symbol period. Then, the leading color of each symbol period is determined based on only the transmission data without depending on the previous symbol. For example, when the signal space of FIG. 3B is used, for the transmission data “00”, “01”, “10”, “11”, the leading colors of the symbols are set to # 1, # 2, # 3, # 4. For example, in the symbol period corresponding to the transmission data "01", the color of the optical signal S1 circulates # 2, # 3, # 4, # 1,.

この変形例は、送信機200と受信機300が1対1通信を行い、さらに通信開始に先立ち、送信機200と受信機300とのタイミング合わせが可能である場合に有効である。この場合、送信機200のシンボル周期の先頭のタイミングと、受信機300におけるフレーム周期Tfcの先頭のタイミングを揃えることで、データ伝送が可能となる。 This modification is effective when the transmitter 200 and the receiver 300 perform one-to-one communication, and the timing of the transmitter 200 and the receiver 300 can be adjusted prior to the start of communication. In this case, data transmission becomes possible by aligning the head timing of the symbol period of the transmitter 200 with the head timing of the frame period Tfc in the receiver 300.

この変形例によれば、カメラの全画素に渡って光が照射される必要はなく、DCSKと同様に、数画素のみにスポット照射される微小な光信号S1を用いた通信が可能であるから、遠距離通信が可能である。またDCSKと同様に、光信号S1の受光位置が変化しても、データ伝送が可能である。   According to this modification, it is not necessary to irradiate light over all the pixels of the camera, and communication using a small optical signal S1 that irradiates only a few pixels with spots is possible as in DCSK. , Telecommunications are possible. Also, similarly to DCSK, data transmission is possible even if the light receiving position of the optical signal S1 changes.

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。   Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments are merely illustrative of the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the appended claims. Many modifications and changes in arrangement may be made without departing from the spirit of the present invention.

100 光通信システム
200 送信機
210 光源
220 変調器
300 受信機
310 カメラ
320 復調器
S1 光信号
S2 送信データ
S3 受信データ
Reference Signs List 100 optical communication system 200 transmitter 210 light source 220 modulator 300 receiver 310 camera 320 demodulator S1 optical signal S2 transmission data S3 reception data

Claims (13)

シンボル期間の間、光信号の色を所定の複数色で巡回的に遷移させるとともに、各シンボル期間の先頭の色を、前記複数色の中から送信データにもとづいて選択することを特徴とする光変調方法。   During the symbol period, the color of the optical signal is cyclically changed by a plurality of predetermined colors, and a head color of each symbol period is selected from the plurality of colors based on transmission data. Modulation method. 各シンボル期間の先頭の色は、1つ前のシンボル期間の先頭の色を基準として相対的に決定されることを特徴とする請求項1に記載の光変調方法。   The light modulation method according to claim 1, wherein the leading color of each symbol period is relatively determined based on the leading color of the immediately preceding symbol period. 前記シンボル期間の長さは、前記光信号を撮像するカメラのフレームレートと等しいことを特徴とする請求項1または2に記載の光変調方法。   The optical modulation method according to claim 1, wherein a length of the symbol period is equal to a frame rate of a camera that captures the optical signal. シンボル期間ごとに、前記複数色のセットを切りかえることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光変調方法。   4. The light modulation method according to claim 1, wherein the set of the plurality of colors is switched for each symbol period. 請求項1から4のいずれかに記載の光変調方法により変調された光信号の光復調方法であって、
ローリングシャッター方式のカメラで前記光信号を撮影するステップと、
前記光信号が含まれる画素を特定するステップと、
前記画素において得られた色にもとづいて受信データを取得するステップと、
を備えることを特徴とする光復調方法。
An optical demodulation method of an optical signal modulated by the optical modulation method according to any one of claims 1 to 4,
Capturing the light signal with a rolling shutter camera;
Identifying a pixel containing the optical signal;
Obtaining received data based on the color obtained at the pixel;
An optical demodulation method comprising:
各シンボル期間の先頭の色は、1つ前のシンボル期間の先頭の色を基準として相対的に決定され、
前記受信データは、前記画素において、各フレームで得られた色と1つ前のフレームで得られた色との関係にもとづいて取得されることを特徴とする請求項5に記載の光復調方法。
The leading color of each symbol period is relatively determined based on the leading color of the previous symbol period,
6. The optical demodulation method according to claim 5, wherein the received data is obtained based on a relationship between a color obtained in each frame and a color obtained in a previous frame in the pixel. .
連続する2フレームで、前記光信号が含まれる画素が、前記カメラのスキャン方向に異なるとき、一方の画素において取得した色をシフトさせ、他方の画素において検出されるべき色を推定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項5に記載の光復調方法。   When pixels including the optical signal are different in the scanning direction of the camera in two consecutive frames, the method further includes a step of shifting a color acquired at one pixel and estimating a color to be detected at the other pixel. The optical demodulation method according to claim 5, further comprising: 所定の複数色を生成可能な光源と、
送信データにもとづいて前記光源が生成する光信号の色を制御する変調器と、
を備え、
前記変調器は、シンボル期間の間、前記光信号の色を前記複数色で巡回的に遷移させるとともに、前記シンボル期間の先頭の色を、前記送信データにもとづいて変化させることを特徴とする送信機。
A light source capable of generating a plurality of predetermined colors;
A modulator that controls the color of an optical signal generated by the light source based on transmission data,
With
The modulator, wherein, during a symbol period, the color of the optical signal is cyclically shifted by the plurality of colors, and a leading color of the symbol period is changed based on the transmission data. Machine.
各シンボル期間の先頭の色は、1つ前のシンボル期間の先頭の色を基準として相対的に決定されることを特徴とする請求項8に記載の送信機。   The transmitter according to claim 8, wherein the leading color of each symbol period is relatively determined based on the leading color of the immediately preceding symbol period. 前記シンボル期間の長さは、前記光信号を撮像するカメラのフレームレートと等しいことを特徴とする請求項8または9に記載の送信機。   The transmitter according to claim 8, wherein a length of the symbol period is equal to a frame rate of a camera that captures the optical signal. シンボル期間ごとに、前記複数色のセットを切りかえることを特徴とする請求項8から10のいずれかに記載の送信機。   The transmitter according to any one of claims 8 to 10, wherein the set of the plurality of colors is switched for each symbol period. 請求項9に記載の送信機からの光信号を撮影するローリングシャッター方式のカメラと、
前記カメラの出力を処理する復調器と、
を備え、
前記復調器は、前記光信号が含まれる画素を特定し、当該画素において、現在のフレームで得られた色と1つ前のフレームで得られた色との関係にもとづいて、受信データを取得することを特徴とする受信機。
A camera of a rolling shutter system for capturing an optical signal from the transmitter according to claim 9,
A demodulator that processes the output of the camera;
With
The demodulator identifies a pixel containing the optical signal and obtains received data at the pixel based on a relationship between a color obtained in a current frame and a color obtained in a previous frame. Receiver.
連続する2フレームで、前記光信号が含まれる画素が、前記カメラのスキャン方向に異なるとき、一方の画素において取得した色をシフトさせ、他方の画素において検出されるべき色を推定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項12に記載の受信機。   When pixels including the optical signal are different in the scanning direction of the camera in two consecutive frames, the method further includes a step of shifting a color acquired at one pixel and estimating a color to be detected at the other pixel. The receiver according to claim 12, comprising:
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